Hitsausinvertteri on erittäin käytetty virtalähdetyyppi, ensisijaisesti sen erinomaisen ohjattavuuden ansiosta. Invertteri tuottaa suuritaajuuksista virtaa, jota voidaan ohjata hyvin.
(Cary & Helzer 2005, s. 261–262.) Hitsausinvertterit ovat tehoonsa nähden pienikokoisia ja kevyitä. Niiden hyötysuhde on myös hyvä ja ne kuormittavat sähköverkkoa symmetrisesti.
(Lukkari 2002, s. 84.)
Seuraavassa kerrotaan lyhyesti hitsausvirtalähteiden yleisistä ominaisuuksista. Tämän jälkeen perehdytään MIG/MAG-hitsausinverttereiden ohjaus- ja säätötekniikkaan.
7.1 Virtalähteiden yleisiä ominaisuuksia
Sähköverkosta tuleva sähkö ei sovellu sellaisenaan hitsaukseen. Tämä johtuu niin fysikaalisista kuin turvallisuuteenkin liittyvistä näkökohdista. Sähköverkon ja valokaaren välissä pitää olla laite, joka muuntaa sähköverkosta saatavan sähkötehon valokaarelle sopivaksi. Hitsausvirtalähde toimii myös sähköverkon ja hitsausvirtapiirin välisenä erotuksena. Hitsaustehoa pitää pystyä muuttamaan käytännön hitsaustyössä, joten myös tästä syystä vakioista sähköä tarjoavan sähköverkon ja valokaaren välissä pitää olla säätölaite, jolla voidaan kulloinkin asettaa sovellukseen tarvittava hitsausteho. (Mäkimaa 2005, s. 1.)
Virtalähteet voivat olla vakiovirta- tai vakiojännitelähteitä. Vakiovirtalähde pitää virran vakiona, jolloin virtalähteen ominaiskäyrä on pystysuora. Vakiovirtalähdettä käytetään
yleensä puikko- ja TIG-hitsauksessa. Vakiojännitelähdettä käytetään puolestaan muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta MIG-, MAG- ja täytelankahitsauksessa. Vakiojännitelähde on riippumaton kuormavirrasta pitäen jännitteen vakiona. Ideaalista vakiojännitelähdettä ei kuitenkaan ole olemassa, vaan yleensä sen ominaiskäyrä on hieman laskeva, kuva 26 a).
Hitsauslaitestandardien mukaan virtalähde luokitellaan vakiojännitelähteeksi, jos jännite alenee vähemmän kuin 7 V/100 A. Käytännön virtalähteissä koneen jännite laskee yleensä 2–6 V/100 A. (Mäkimaa 2005, s. 3–4.) Vakiojännitelähdettä käytetään MIG/MAG-hitsauksessa teholähteenä, jotta valokaari olisi itsesäätyvä. Tällöin valokaari pysyy vakaana, vaikka vapaalangan pituus vaihtelisi. (Lukkari 2002, s. 79.)
Kuva 26. a) Hieman laskeva ominaiskäyrä; b) Elektronisesti ohjatun MIG/MAG-virtalähteen ominaiskäyrä (Mäkimaa 2005, s. 4).
Kuvan 26 a) mukaisesta ominaiskäyrästä puuttuu säädettävyys. Kuvassa 26 b) on esitetty elektronisesti ohjattujen MIG/MAG-virtalähteiden ominaiskäyrät. Siinä jännitteen säätö on portaatonta minimin ja maksimin välillä. Sen lisäksi jännite pysyy vakiona normaalilla käyttöalueella. Ylikuormitussuojana käytetään virtarajaa, joka rajoittaa virran turvalliseen arvoon epänormaaleissa kuormitustilanteissa. (Mäkimaa 2005, s. 4.)
7.2 Rakenne ja toimintaperiaate
Hitsausinvertterien rakenne ja periaate ovat sama toteutustavasta riippumatta. Kuvassa 27 on esitetty invertterin rakenne. Invertterin toimintaperiaate on seuraava. Ensimmäiseksi sähköverkosta saatava vaihtojännite tasasuunnataan tasasuuntaajalla (1) ja suodatetaan suotimella (2). Näin saatu tasasuunnattu sähkövirta viedään vaihtosuuntaajaan (3), joka on
laitteen keskeisin osa. Vaihtosuuntaaja muuttaa tasavirran vaihtovirraksi. Vaihtosuuntaus on tärkeä vaihe, koska vaihtosuuntaajan toimintataajuus voidaan valita melko vapaasti.
Tämän ansiosta hitsausinvertterin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa monella tavalla.
Tämän vaiheen jälkeen vaihtovirta muunnetaan muuntajalla (4) hitsaukseen sopivaksi.
Tämä vaihe toimii samalla sähköisenä erotuksena sähköverkon ja hitsauspiirin välillä.
Muuntajalta tullut vaihtovirta tasasuunnataan tasasuuntaajalla (5) ja se johdetaan kuristimen (6) sekä virtaa mittaavan anturin (7) kautta valokaareen. Hitsausvirtaa ja jännitettä sekä käyttäjän asettamaa ohjearvoa mitataan säätimellä (8) ja se ohjaa vaihtosuuntaajaa niin, että haluttu ulostulo säilyy. (Mäkimaa 2005, s. 7.)
Kuva 27. Hitsausinvertterin rakenne (Pohjola 2007, s. 7).
Hitsausinvertterin keskeisin osa suorituskyvyn kannalta on vaihtosuuntaajan kytkinelementti. Hitsausinverttereissä kytkinelementteinä käytetään FET- ja IGBT-transistoreja, joista IGBT on hallitsevana keski- ja suuritehoisissa koneissa. (Mäkimaa 2005, s. 8.)
Muuntaja saadaan rakennettua pieneksi, koska invertterin toimintataajuus on aina paljon suurempi kuin sähköverkon taajuus. Suuremmilla taajuuksilla päästään suurempiin reaktionopeuksiin. Näin invertterit voivat olla monitoimivirtalähteitä, jotka sopivat kaikkien hitsausprosessien virtalähteiksi, mukaan lukien pulssi-MIG/MAG-hitsaus. (Lukkari 2002, s.
83.)
Kuvassa 28 on esitetty erään monitoimi-invertterin rakenne. Invertterin tehopuolijohteiden jäähdytyselementit ovat suuria verrattuna käämikomponentteihin (muuntaja, kuristin).
Lisäksi ohjauselektroniikan osuus on huomattavasti suurempi kuin perinteisissä virtalähteissä. (Mäkimaa 2005, s. 11.)
Kuva 28. Monitoimi-invertterin rakenne (Mäkimaa 2005, s. 11).
Puikko- ja TIG-hitsauksessa invertterin hyvällä ohjattavuudella ei saavuteta suurta etua kaariominaisuuksiin perinteisiin tasasuuntaajiin verrattuna. Merkittävimpänä etuna on invertterin pienempi paino ja koko. MIG/MAG-hitsauksessa puolestaan saavutetaan invertterien ohjattavuuden suurimmat hyödyt. Periaatteessa MIG/MAG-invertterin virtalähdeosan ydin on samanlainen kuin puikko- ja TIG-virtalähteissä, mutta säätö- ja ohjaustekniikassa on suuria eroja. (Mäkimaa 2005, s. 8–9.)
7.3 Ohjaus- ja säätötekniikka
Yksinkertaisimmissa virtalähteissä inverttereiden ohjaus ja säätö toteutetaan perinteisellä analogitekniikalla. Muuten säätö ja ohjaus toteutetaan tavallisesti digitaalitekniikan keinoin prosessoria käyttäen. MIG/MAG-invertterivirtalähteen ohjaus ja säätöpiirien periaate on esitetty kuvassa 29. (Mäkimaa 2005, s. 10.)
Kuva 29. MIG/MAG-invertterivirtalähteen ohjausperiaate (Mäkimaa 2005, s. 10).
Prosessori on ohjauksen keskeisin osa. Se ohjaa toimintoja sekä huolehtii virtalähteen säädöstä. Prosessori liikennöi sarjaväylän kautta oheislaitteiden, tässä tapauksessa langansyöttölaitteen, kanssa ja välittää sille tosiaikaisen tiedon virrasta ja jännitteestä.
Langansyöttölaitteelta tulee käynnistys- ja pysäytystieto sekä tiedot langansyöttölaitteen käyttöpaneelilta tehdyistä asetuksista. Näitä asetuksia ovat mm. jännitteen ohjearvo, hitsausmenetelmä ja eri menetelmiin liittyvät yksityiskohdat, kuten valokaaren ”kovuus”.
Prosessorin muistiin on tallennettu ohjeet miten virtaa pitää säätää kussakin hitsaustilanteessa. (Mäkimaa 2005, s. 10.)
Prosessori suorittaa hitsausvirran ja jännitteen mittauksen useita kymmeniä tuhansia kertoja sekunnissa, vertaa näitä mitattuja arvoja asetettuihin arvoihin ja antaa muistiin tallennettujen sääntöjen perusteella teho-osalle ohjeen siitä minkälaista virtaa valokaareen
pitää seuraavalla hetkellä syöttää. Suuri etu prosessoriohjauksessa on se, että kullekin hitsausprosessille tai prosessin osallekin voidaan laatia optimaaliset toimintaohjeet, jotka voidaan sitten lukea muistista, kun kyseinen tilanne tulee eteen. Myös äkillisiin muutoksiin voidaan reagoida, koska menettelytavan vaihto kestää vain sekunnin sadastuhannesosien luokkaa. (Mäkimaa 2005, s. 10.)
Virtalähteen teho-osan pitää olla riittävän hyvin ohjattavissa, jotta prosessoritekniikkaa voidaan hyödyntää täysimittaisesti. Invertteri- ja prosessoritekniikka on mahdollistanut nopeiden ja monipuolisten MIG/MAG-virtalähteiden kehityksen. Tämä on ollut tärkeä edellytys nykyisille pulssi-MIG-virtalähteille. (Mäkimaa 2005, s. 10.)
7.4 Valokaaren säätötekniikka
Lähtökohtana valokaaren säädölle ovat sen fysikaaliset ominaisuudet, jotka asettavat valokaaren säädölle minimivaatimukset. Kaaren virran ja jännitteen arvot ovat riippuvaisia valokaaren tyypistä sekä pituudesta. Suuntaa-antavasti voidaan kuitenkin sanoa, että hitsausvalokaari toimii vakaalla alueella pääsääntöisesti, mutta epävakaalle alueelle voidaan joutua häiriötilanteissa. Tärkein yksittäinen seikka valokaaren vakavuuden kannalta on virran jatkuvuus, sillä virran aukottuminen johtaa melkein aina pahaan häiriöön. Kuvassa 30 on esitetty vapaana palavan valokaaren staattinen ominaiskäyrä.
(Mäkimaa 2009, s. 1.)
Kuva 30. Vapaana palavan valokaaren ominaiskäyrä (Mäkimaa 2009, s. 1).
MIG/MAG-valokaaren jatkuvuustila
Vakiojännitteellä syötetty MIG/MAG-valokaari on itsesäätyvä, kuva 31. Valokaaren itsesäätyvyys perustuu siihen, että vakiojännitesyöttöisen kaaren virta riippuu huomattavasti kaaripituudesta sekä myös vapaalangan pituudesta. Valokaaren ja vapaalangan lyhentyessä virta kasvaa voimakkaasti. Näin myös kaariteho nousee, koska jännite on vakio. Tämän ansiosta langan sulamisnopeus kasvaa ja kaaripituus palautuu pidemmäksi. Vastaavasti, jos valokaari ja/tai vapaalanka pitenee, virta putoaa ja teho pienenee. Tämä aiheuttaa sulamisen hidastumisen ja kaaripituuden lyhenemisen.
Valokaaren itsesäätyvyys toimii puhtaalla vakiojännitesyötöllä sekä laskevilla ominaiskäyrillä, kun ominaiskäyrän laskunopeus on pienempi kuin noin 6 V/100 A.
(Mäkimaa 2009, s. 13.)
Kuva 31. MIG/MAG-valokaaren itsesäätyvyys (Mäkimaa 2009, s. 12).
Vakiojännite-ehto ei ole vielä riittävä vakaan valokaaren aikaansaamiseksi, sillä MIG/MAG-hitsauksessa on tilanteita, joissa tapahtuu pisaraoikosulku. Pisaraoikosulku tapahtuu, kun lisäainelangan päähän muodostuva metallipisara tekee oikosulun lisäainelangan pään ja hitsisulan välille, kuva 32. (Mäkimaa 2009, s. 2; 12.)
Kuva 32. Pisaraoikosulku (Mäkimaa 2009, s. 2).
Pisara pitää saada siirtymään sulaan, jotta prosessi ei pysähtyisi. Pisaran muodostaessa oikosulun lisäainelangan ja työkappaleen välille, pintajännitys pyrkii pitämään sen kiinni sekä lisäainelangan päässä että työkappaleessa. Pisaraan vaikuttaa myös sähkömagneettinen pinch-voima, joka pyrkii irrottamaan pisaran lisäainelangan päästä. Pinch-voima riippuu virran neliöstä, joten pisaran irtoamista voidaan edistää antamalla virran nousta pisaraoikosulkutilanteessa. (Mäkimaa 2009, s. 2.) Oikosulkusiirtymistä tapahtuu lyhytkaarihitsauksessa, jossa pisara siirtyy tasaisin välein hallitusti oikosulkujen avulla (Lukkari 2002, s. 168).
Jotta pisara irtoaa lisäainelangan päästä, tarvitaan korkeampi virta kuin mitä kaariaikana kulkee. Oikosulun sattuessa ideaalinen vakiojännitelähde nostaisi virran äärettömyyteen, jolloin seurauksena olisi voimakas roiskiminen. Tämän takia oikosulkuvirran nousua on rajoitettava. Perinteisesti oikosulkuvirtaa on rajoitettu tekemällä jännitelähde dynaamisesti induktiiviseksi. Tällöin oikosulkuvirta nousee lähes lineaarisesti kuvan 33 esittämällä tavalla. Kokemusperäisesti on kuitenkin havaittu, että valokaaren vakavuus paranee, jos virta nousee askelmaisesti 50–100 A oikosulun alussa, kuten kuvassa 33 oikealla. CO2 -hitsauksessa voidaan parantaa valokaaren vakavuutta viivästämällä oikosulkuvirran nousua.
(Mäkimaa 2009, s. 13.)
Kuva 33. MIG/MAG-virtalähteen oikosulkuvasteita (Mäkimaa 2009, s. 13).
Oikosulkuvirran nousunopeus ja huippuarvo vaikuttavat huomattavasti valokaaren ominaisuuksiin. Jos nousunopeutta nostetaan, pisaran irtoaminen nopeutuu ja valokaaren vakavuus paranee, mutta se johtaa yleensä suurempiin roiskeisiin johtuen suuremmista voimista. Hitaalla nousulla saavutetaan pehmeä ja vähäroiskeinen valokaari, mutta tällöin se on hyvin arka vaihteluille. Jos käytetään liian pientä nousunopeutta, pisara ei irtoa ajoissa, vaan seurauksena on langan palaminen poikki ja epävakaa valokaari. MIG/MAG-invertterivirtalähteissä dynamiikkaa hallitaan elektronisesti säätöteknisin keinoin.
(Mäkimaa 2000, s. 18–19; Mäkimaa 2005, s. 18.) Sopiva ”karheus” eli virran nousunopeus on tapauskohtainen. Tästä johtuen monissa virtalähteissä on dynamiikkasäädöksi kutsuttu säätö, jolla vaikutetaan oikosulkuvirran nousunopeuteen. (Mäkimaa 2009, s. 14.)
Virran jatkuvuus on välttämätön edellytys valokaaren vakavuudelle. Kun hitsataan pienillä virroilla, virta aukottuu helposti. Tämä voidaan korjata ominaiskäyrän nokan avulla, kuva 34. Ominaiskäyrän nokan avulla nostetaan jännitettä pienillä virroilla sen varalta, että toiminta ajautuu epävakaalle alueelle. Normaalisti nokan kynnysvirta on 10–20 A ja se voi olla joko voimakkaasti laskeva tai peräti vakiovirtaohjattu. (Mäkimaa 2009, s. 4; 14.)
Kuva 34. Ominaiskäyrän nokka laskevalla ominaiskäyrällä (Mäkimaa 2000, s. 18).
7.5 Hitsausparametrien säätö
Hitsausparametrien, langansyöttönopeuden/hitsausvirran ja jännitteen, säätö voidaan yleensä tehdä kahdella eri tavalla: käyttäen kaksinuppisäätöä tai yksinuppisäätöä.
Yksinuppisäätöä kutsutaan myös synergiseksi säädöksi. Hitsausparametrien pitää olla säädetty tarkasti toisiinsa nähden hyvien hitsausominaisuuksien sekä hyvän hitsaustuloksen takaamiseksi. Jännitesäädössä valitaan virtalähteen staattinen ominaiskäyrä jännitteen säätönupista. Hitsausvirran säädössä valitaan langansyöttönopeus, joka vastaa aina tiettyä virtaa. (Lukkari 2002, s. 210.) Hitsausinverttereitä voidaan säätää myös adaptiivisesti.
7.5.1 Kaksinuppisäätö
Kaksinuppisäädössä käyttäjä säätää vuorotellen langansyöttönopeutta ja jännitettä omista säätönupeistaan. Virtalähteestä tai langansyöttölaitteesta säädetään jännitettä ja langansyöttölaitteesta langansyöttönopeutta. Nämä säädöt pitää tehdä oikeassa suhteessa toisiinsa, jotta hitsaustapahtuma ei olisi epävakaa ja roiskeinen. Jännitettä ja langansyöttönopeutta voidaan säätää myös toisistaan riippumatta kaariominaiskäyräalueen rajoissa, kuva 35. (Lukkari 2002, s. 210.)
Kuva 35. Kaksinuppisäädön periaate (Lukkari 2009, s. 23).
7.5.2 Synerginen säätö (yksinuppisäätö)
Hitsausvirtalähteiden synergisellä säädöllä hitsausparametrien säätöä on helpotettu.
Hitsauslaitteen synergialla tarkoitetaan, että laite osaa säätää hitsausvirtaa tai jännitettä tai molempia sen perusteella, minkä langansyöttönopeuden laitteen käyttäjä on valinnut, kuva 36. (Uusitalo 2007, s. 59.) Synergisessä säädössä siis virtalähteen ohjauselektroniikka pitää huolta, että jännite ja virta (langansyöttönopeus) ovat aina oikeassa suhteessa toisiinsa nähden virtalähteessä olevan synergiakäyrän mukaan (Lukkari 2009, s. 23).
Kuva 36. Hitsausparametrien synergisen säädön periaate (Lukkari 2009, s. 23).
Hitsausvirtalähde hakee ennalta määritettyjen tietojen perusteella optimaaliset hitsausparametrit jokaisessa tilanteessa. Synergisissä hitsausvirtalähteissä on suuri määrä myös muita hitsausparametreja. Koneessa oleva ohjelmisto valvoo ja ohjaa jatkuvasti hitsauksen aikana näiden parametrien arvoja. Näitä parametreja ovat esimerkiksi hitsausvirran nousu- ja laskuajat valokaaren sytytyksessä ja lopetuksessa, virran dynamiikka eli käyttäytyminen oikosulkutilanteissa sekä virtapulssien muoto ja taajuus pulssihitsauksessa. Ennalta laaditut hitsauskäyrät vastaavat näiden hitsausparametrien keskinäisen vuorovaikutuksen toimivuudesta. Synerginen MIG/MAG-käyrä on esitetty kuvassa 37. Käyriä on laadittu erilaisia eri perusaineille, lisäaineille ja suojakaasuille.
(Uusitalo 2007, s. 59.)
Kuva 37. Synerginen MIG/MAG-käyrä, jossa näkyy myös hienosäädön rajat (Synergiset toiminnot s. 2).
Käyrien ansiosta koneen käyttäjä voi käyttää yksinuppisäätöä ja säätää hitsausvirtalähteen asetuksia käytännönläheisten asioiden kuten suojakaasun, langanpaksuuden ja aineenpaksuuden avulla (Uusitalo 2007, s. 59). Näiden asetuksien perusteella käyttäjä tekee esivalinnat ennen hitsauksen aloitusta. Asetettujen parametrien perusteella
ohjauselektroniikka osaa valita muistista oikean synergiakäyrän. (Lukkari 2002, s. 211.) Kuvassa 38 on esitetty yksinuppisäädön synergiset toiminnot ja hitsausvirtalähteen säätö käyttäen yksinuppisäätöä.
Synergisessä säädössä voidaan tehdä myös pientä hienosäätöä. Käyttäjä voi tarvittaessa tapauskohtaisesti tehdä pieniä korjauksia eli hienosäätöä jännitesäätimellä. Näin voidaan korjata hieman valokaaren pituutta. (Lukkari 2009, s. 23.)
Kuva 38. Yksinuppisäädön synergiset toiminnot ja hitsausparametrien säätö langansyöttönopeuden mukaan (Synergiset toiminnot s. 1).
Pulssihitsauksessa on paljon parametreja ja niiden tulee olla tietyissä rajoissa, jotta hitsaaminen olisi mahdollista. Tämän takia pulssihitsaus suoritetaan käytännössä synergisillä käyrillä, jolloin ainoastaan hienosäätö jää käyttäjän tehtäväksi. Tärkeimmät parametrit pulssihitsauksessa ovat: 1. Pulssivirta, 2. Pulssin pituus, 3. Taajuus, 4. Perusvirta sekä pulssin nousu- ja laskunopeudet. Nämä pulssiparametrit on esitetty kuvassa 39. Muita parametreja pulssihitsauksessa ovat kaaren pituuden korjaukseen liittyvät parametrit, syttymis- ja lopetusparametrit sekä oikosulun hallinta. (Synergiset toiminnot s. 3.)
Kuva 39. Pulssihitsauksen tärkeimmät parametrit, jotka säätyvät synergiakäyrän mukaan: 1.
Pulssivirta, 2. Pulssin pituus, 3. Taajuus ja 4. Perusvirta (Synergiset toiminnot s. 3).
Yksi yksinuppisäädön versio on ESABin kehittämä QSet-toiminto lyhytkaarihitsaukseen.
Siinä käyttäjä asettaa koneeseen hitsaustehtävään valitun langan ja suojakaasun. Tämän jälkeen käyttäjä suorittaa koehitsauksen millä tahansa langansyöttönopeuden arvolla. QSet-toiminto etsii valitun lanka/kaasu yhdistelmän optimaaliset säätöarvot ja alkaa käyttää niitä.
Käyttäjä säätää langansyöttönopeuden railon, aineenpaksuuden ja hitsausasennon mukaan.
Näin hitsausta voidaan jatkaa ja QSet-toiminto pitää optimaaliset säätöarvot, vaikka langansyöttönopeutta muutetaan. (Lukkari 2009, s. 24.)
7.5.3 Adaptiivinen säätö
Adaptiivisessa säädössä virtalähteen ohjaus kerää tietoa halutuista valokaaren muuttujista ja käyttää näitä mittaustuloksia laitteen toiminnan ohjaamiseen (Hiltunen 2005, s. 18).
Esimerkiksi lyhytkaarihitsauksessa adaptiivisuus voi perustua oikosulun aikaisen jännitteen mittaamiseen ja näiden mittaustulosten käyttöön tehonlähteen säätöön (Patenttijulkaisu 2007, s. 3).
Adaptiivinen säätö helpottaa virtalähteen käyttöä. Adaptiivisessa säädössä käyttäjä voi esimerkiksi asettaa koneeseen haluamansa langan ja suojakaasun sekä aineenpaksuuden.
Sitten käyttäjä säätää halutun tehon tehonsäätimestä, jonka jälkeen hitsaus voi alkaa. Kone
määrittää oikeat hitsausparametrit, kerää tietoa halutuista valokaaren muuttujista ja käyttää kerättyjä tietoja laitteen toiminnan ohjaamiseen. (Hiltunen 2005, s. 18.)
8 VIRTALÄHTEEN OHJAUS LÄMMÖNTUONNIN JA S-KÄYRÄN